Сотрудники химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова синтезировали сложный катализатор на основе оксида церия и определили, как влияют на свойства катализатора добавка марганца. Исследованные оксиды могут заменить дорогостоящие катализаторы, содержащие родий, платину и палладий. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Surface Science.

До появления каталитических конвертеров выхлопных газов, которыми сейчас оборудуют все автомобили, воздух на улицах городов и на автомобильных трассах содержал в десятки раз больше опасных веществ – монооксида углерода, оксидов азота, углеводородов. Эти вещества вызывают расстройства дыхательной системы, порождают обычный и фотохимический смог, угнетают растительность и вызывают множество других неприятных последствий.

Сейчас каталитические конверторы содержат катализаторы сложного состава (трехмаршрутные). Они снижают токсичность отработанных газов: восстанавливают оксиды азота, окисляют углеводороды и угарный газ CO до нетоксичного CO2. Очень важно, чтобы катализаторы эффективно действовали при нестационарных режимах работы двигателей, например, при запуске, в пробках. Для этого они должны содержать компоненты, работающие в широком интервале температур.

Трехмаршрутные катализаторы содержат в качестве основных компонентов диоксид церия и наночастицы благородных металлов (платины или палладия и родия). Диоксид церия служит «кислородным буфером» за счет своей уникальной способности в зависимости от реакционных условий отдавать для реакции окисления кислород из кристаллической решетки или же, наоборот, поглощать его из газовой фазы для восстановления своего состава. Второй компонент — частицы благородных металлов. Они играют роль активных центров катализатора, ускоряющих превращение монооксида углерода и углеводородов в углекислый газ, а оксидов азота – в безопасный молекулярный азот. Недостаток таких систем в высокой стоимости и неустойчивости металлических частиц к действию высоких температур и различных каталитических ядов.

Решить указанные выше проблемы возможно путем замены частиц благородных металлов на оксиды переходных металлов, которые могут улучшить собственные каталитические свойства диоксида церия. Многие оксиды металлов, способных менять степень окисления, служат перспективными кандидатами на роль таких катализаторов. Однако очень важно найти наиболее перспективный способ введения добавки в состав каталитической системы, чтобы добиться максимальной ее эффективности.

«Исследователи из лаборатории катализа и газовой электрохимии МГУ под руководством доктора химических наук, ведущего научного сотрудника Екатерины Локтевой синтезировали несколькими способами смешанные оксидные системы, способные заменить собой драгоценные металлы в катализаторах», — сообщил и.о. декана химического факультета МГУ Степан Калмыков. Системы включают смешанный оксид церия-циркония с добавкой оксида марганца: его вводили в систему либо на стадии синтеза церий-циркониевой системы или путем пропитки уже приготовленного двойного оксида Ce0,8Zr0,2O2 раствором ацетата марганца.

В зависимости от способа синтеза авторы получили сложные оксиды с различными физико-химическими характеристиками. В составе катализаторов, синтезированных одновременно из соединений трех металлов, наночастицы оксидов марганца равномерно распределены по поверхности, а некоторая часть ионов марганца встроена в узлы кристаллической решетки сложного оксида. Если же марганец добавляли к уже приготовленному двойному оксиду церия-циркония, он распределялся в катализаторе неравномерно: наночастицы оксида марганца образовывали участки на поверхности церий-циркониевой матрицы.

Как выяснили ученые, разное распределение оксидов марганца изменяет каталитические свойства в реакции окисления моноксида углерода. Неравномерная локализация оксида марганца улучшает каталитические характеристики сложного оксида: частицы оксида марганца не закрывают всю поверхность церий-циркониевой системы, благодаря чему активный кислород из структуры матрицы участвует в процессе окисления и повышает эффективность каталитической реакции.

«Цель нашей работы состояла в том, чтобы выяснить, как лучше проводить модификацию марганцем, а также в какой форме марганец окажет более сильное положительное влияние на каталитические свойства. Думаю, что мы в определенной степени с этим справились. Однако и концентрация марганца может сильно влиять на эффективность каталитической системы. Это отдельный вопрос, требующий дальнейшего исследования», — комментирует один из авторов работы, аспирант химического факультета МГУ Игорь Каплин.

Иллюстрация (кликабельно): Схема работы нового катализатора // Источник: Efficiency of manganese modified CTAB-templated ceria-zirconia catalysts in total CO oxidation / Applied Surface Science. doi:10.1016/j.apsusc.2019.04.206